（中车株洲电力机车研究所有限公司）
摘要：IGBT在变流器中应用广泛，而驱动器对安全、可靠应用器件至关重要。文章分析了IGBT驱动电路主要的功能及工作原理并通过试验对部分功能进行验证分析，对驱动电路设计有一定指导意义。
关键词：IGBT；驱动电路；保护电路
0引言
IGBT驱动电路的任务是将控制器输出的PWM信号，转换为作用在IGBT栅射极之间的电压信号，从而使IGBT导通或关断。性能良好的驱动电路，不仅可以缩短IGBT的开关时间，减小损耗，而且保护电路可以抑制过电压，并在故障时关断IGBT以保护器件和维护整个系统的安全。
本文从IGBT特性出发，针对IGBT驱动板，分析其主要的功能及工作原理并通过试验对部分功能进行验证分析。
1.IGBT工作特性
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件[1]，简化等效电路见图1，是压控型器件。但IGBT存在着结电容及杂散电感，使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形有差异。
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图1 N沟道IGBT简化等效电路图
IGBT的开关是由栅极电压来控制的。当在栅极加正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。当在栅极上施加反向电压时MOSFET的沟道消除，PNP晶体管和基极电流被切断，IGBT被关断。
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图2驱动电路结构图
2 .IGBT驱动电路结构及功能介绍
2.1IGBT驱动结构框图
本文基于英飞凌FZ1600R17KE3器件，进行驱动电路设计。驱动电路结构如图2所示：在框图中电源电路既实现了电源的隔离又为驱动电路提供了合适的正负电压；下方的驱动电路接收PWM信号，其通过信号隔离进入逻辑和功率放大电路，进而驱动IGBT的通断，通过设置有源箝位、短路保护等对器件进行保护。
2.2信号电气隔离
IGBT驱动电路电气隔离常用的三种方式[2]：
⑴光耦隔离方式
光耦的隔离原理见图3，输入信号为高电平时，发光二极管上发出光信号，光敏三极管接收光信号后导通并产生电平信号，从而实现“电—光—电”的转换。其具有体积小、电路简单、成本较低的优势，但光耦的副边需要提供隔离电源、传输延时较大、隔离电压不高、容易老化等问题，通常用于中低压数字信号隔离场合。文中驱动板采用光耦隔离。
⑵光纤隔离方式
光纤隔离原理见图4，光纤隔离采用玻璃或者塑料等材料，以光为媒介传输信号，因此可以实现长距离电气隔离。其具有抗干扰能力强、隔离电压高、可靠性高等优点，但光纤隔离存在功耗大、光衰减、易老化、安装要求高等缺点。此外，光纤成本较高，通常应用于轨道交通、高压输电，在小功率等成本竞争压力比较大的产品上应用较少。
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图3光耦隔离原理图
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图4光纤隔离原理图
⑶变压器隔离方式
变压器隔离方式采用“电—磁—电”的方式实现电气隔离，该方式具有隔离电压高、传输延迟小、脉冲宽度畸变小、共模抑制能力强、成本低等优点，但是电路设计稍显复杂，技术上有一定难度。
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图5变压器隔离电路原理图
图5是基于脉冲调制方式的变压器隔离电路，其原理是：输入的PWM信号先通过施密特触发器变为稳定的反向信号，通过调制电路将其转换为反向的窄脉冲信号，变压器将这两个脉冲信号耦合到次级，传输过来的窄脉冲通过反向迟滞比较器输出±15V电压，最后通过二极管输出与输入PWM信号相同的波形。
2.3驱动输出级
驱动单元将接收的PWM经过放大处理后输出驱动信号。在本文驱动板中，驱动级采用了推挽电路，见图6：
栅极电阻采用二极管和电阻的组合方式。开通时，二极管正向导通，R1和R2并联为开通电阻；关断时，二极管反向阻断，只有R2作为关断电阻。
2.4驱动功率
IGBT栅极正向电压对器件性能有重要影响，正栅极电压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小；但正向VGE过大，一旦IGBT短路，会造成内部寄生晶闸管的静态擎住效应，造成IGBT失效；相反若正向VGE过小，会使IGBT的工作点进入线性放大区，导致器件的过热损坏，一般选+15V；栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选-15V。
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图6驱动输出级原理图
IGBT的栅射极之间存在栅极电容Cge，因而当IGBT工作在高频率的导通和关断时，需要一定的驱动功率。其值受栅极驱动正负偏置电压△VGE、栅极总电荷QC和工作频率FS的影响。驱动功率为：
PAV=△VGE×QC×FS （3）
公式中△VGE为30V，QC为19μC，FS为3KHz，则得PAV为1.71W。
3.IGBT有源箝位保护功能
IGBT正常关断时会产生一定的电压尖峰，但不会太高，若在变流器过载或者桥臂短路时关断器件，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT容易被打坏[2]。有源钳位电路的目的是使电压尖峰在安全范围内，其电路见图7：
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图7 IGBT有源箝位电路
⑴若集电极和栅极之间的电压低于TVS VBR[7]时，则TVS处于截止状态。
⑵若集电极和栅极之间的电压高于TVS VBR时，TVS被击穿，此时一路电流通过二极管直接作用于栅极，另一路通过功率放大电路，为三极管提供电流增益，使电路的动态性能更好，最终，IGBT上的过电压被箝位在TVS管的VBR值左右。
本文中驱动板的TVS选取VBR之和在1463V到1617V之间，表1是通过此驱动板做短路试验得到的有无TVS的对比数据，从中可以看出有源箝位对过电压有明显的抑制作用。
表1有源箝位对比数据
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图8是在直流电压为1200V时的波形图，蓝线和红线分别为有/无TVS时集射极电压VCE，通过对比可知，有源钳位动作后，使得关断过程延长，电压尖峰变矮而宽，有效保护了IGBT器件。
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图8有源箝位波形图
4 .结论
本文从驱动电路功能出发，分析了一款可靠的驱动板所需具备的特征，并对其设计细节进行分析和总结，最后通过实验进行了验证，对于IGBT驱动电路的初次设计者有一定的借鉴作用。
参考文献
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2]周志敏，纪爱华.IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]魏炜.IGBT有源箝位技术的介绍[Z].Switzerland：CT-Concept Technology Ltd，2012.